基于成分调控的光学与结构改性：在双掺杂Sb-Se薄膜中的应用，以实现先进的光学功能

《Vacuum》：Composition-Driven Optical and Structural Modification in Bi-Doped Sb-Se Thin Films for Advanced Optical Applications

　　抗籽二烯硒化物薄膜通过热蒸发制备，系统研究Bi掺杂对结构和光学性能的影响。XRD证实薄膜为非晶态，XPS显示Bi与Sb、Se形成复合键，带隙随Bi浓度增加呈蓝移，Urbach能量增大表明结构无序度提升，拉曼谱证实Sb-Se网络发生应变畸变，非线性折射率增强为光电子器件应用提供新方向。

　　

Kalpana Sharma | Vineet Sharma

物理与材料科学系，Jaypee信息技术大学，Waknaghat，Solan 173234，喜马偕尔邦，印度

摘要

锑硒化物（Sb?Se?）在材料科学和技术领域展现出巨大的潜力。在本研究中，通过热蒸发方法制备了(Sb?Se?)???-xBi?（x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2）薄膜，以探讨Bi掺杂对Sb?Se?薄膜结构和光学性质的影响。X射线衍射（XRD）结果证实了这些薄膜的非晶态特性。X射线光电子能谱（XPS）显示Sb 3d、Se 3d和Bi 4f能级的结合能位置随成分变化而发生移动。这些结合能的变化反映了Bi与Sb?Se?基体之间的强烈相互作用。随着Bi掺量的增加，光学带隙减小，而Urbach能量（E?）的增加表明非晶态SbSe基体的结构无序性增强，同时带尾现象明显。Bi掺杂后拉曼振动模式的蓝移和带宽增加表明SbSe网络内部存在局部结构应变和畸变，进一步证实了结构变化。此外，非线性折射率的提高表明薄膜的三阶光学非线性得到改善。本研究表明，Bi掺杂会系统性地改变非晶态SbSeBi薄膜的局部键合环境和带隙，从而为其在先进光电子应用中的性能调控提供了可能。

部分内容摘录

引言

开发用于各种先进应用的下一代材料一直是科学和技术领域面临的持续挑战。研究表明，硫属玻璃（ChGs）是集成光学、红外传感和太阳能电池技术中非常出色的材料[1][2]。基于硫属元素的薄膜材料被认为具有高成本效益、多功能性和可持续性[3][4]。锑硒化物（Sb?Se?）作为一种...

材料与方法

(Sb?Se?)???-xBi?（x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2）块状样品的合成方法已在其他文献中介绍[28]。这些薄膜被沉积在75mm×25mm的微米级玻璃基底上。基底先用肥皂溶液清洗，随后用乙醇、丙酮和蒸馏水进行超声清洗（10分钟）。粉末样品通过HINDHIVAC 12A4D设备进行蒸发以制备薄膜。

表征

(Sb?Se?)???-xBi?薄膜的结构信息通过Panalytical公司的X’Pert Pro仪器进行X射线衍射（XRD）测定，使用Cu Kα（λ= 1.54A°）源，在5°<θ<80°范围内以0.02°的步长进行测量。xrd谱中出现的宽衍射峰表明薄膜为非晶态。原子力显微镜（afm）分析使用nova px>

X射线光谱（XRD）

图2展示了沉积的(Sb?Se?)???-xBi?薄膜的XRD谱。宽衍射峰是非晶态的特征。非晶态会引入局域态，从而显著改变材料的吸收性质，导致吸收边缘扩展（Urbach尾），这可能影响带隙。

形态学研究（AFM & FE-SEM）

• i. 原子力显微镜（AFM）分析

粗糙度参数（Ra）和均方根粗糙度（Rm）...

结论

Bi掺杂的Sb?Se?薄膜在结构和光学性质上发生了显著变化，这一结论通过XRD、XPS、UV和拉曼分析得到验证。宽XRD峰证实了薄膜的非晶态；XPS谱中Sb 3d、Se 3d和Bi 4f能级的结合能系统变化表明形成了Sb–Bi和Bi–Se键，并伴随有混合氧化态。这些相互作用改变了局部键合环境和电子结构。

CRediT作者贡献声明

Vineet Sharma：撰写、审稿与编辑、概念构思。 Kalpana Sharma：撰写初稿、实验研究、数据分析

资助与利益冲突

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

利益冲突声明

作者确认不存在利益冲突。

致谢

作者感谢Sophisticated SAIF（昌迪加尔大学）提供的XRD和FESEM设施，以及AMRC（IIT Mandi）提供的XPS和拉曼光谱设备。同时，作者感谢Sanjiv Kumar Tiwari博士（JUIT, Waknaghat）、Neha Luhakhra（IIT Mandi）和Sachin Sharma（HPU, Shimla）在实验和讨论中的支持。